Nové zařízení, s nímž nedávno přišli američtí vědci, vypadá na první pohled nejspíše jako tetování. Bližší pohled však odhalí, že se jedná o zvláštní vrstvičku, která je se skutečnou kůží propojena tenoučkými drátky.

Nejde o nic jiného než o velmi sofistikované zařízení k monitorování zdravotního stavu. Další krok k propojení člověka a stroje byl učiněn!

Představte si, že na ulici či v dopravním prostředku potkáte člověka, jehož zápěstí zdobí zvláštní ornament. Nějakou zvláštní pozornost mu budete věnovat asi jen stěží – podobné tetování je dnes součástí těla prakticky každého druhého člověka.

Mohli byste se však nehezky mýlit. Ornament, který jste považovali za tetování, je ve skutečnosti systém senzorů sbírajících informace o tepové frekvenci, tělesné teplotě, svalových kontrakcích či dokonce o mozkových vlnách.

Objev takové technologie ohlásil nedávno tým materiálových inženýrů z několika amerických a čínských univerzit pod vedením John Rogerse z univerzity v Urbana-Champaign v americkém státě Illinois.

Kůže nikoliv pro roboty

Myšlenka na vytvoření elastické látky protkané nejrůznějšími senzory, tedy na jakousi umělou kůži, není nijak nová. Její mateřskou půdou však není lidská medicína, ale robotika. Umělá kůže by měla dát končetinám robotů vlastnosti, které jsou jinak unikátní pro lidské ruce:

schopnost jemně uchopovat a pociťovat drobné rozdíly ve fyzikálních kvalitách objektů, jako je tvar či teplota.

Vyrábět něco takového pro lidi se dlouhou dobu zdálo nesmyslné – příroda přece lidi vybavila kůží vlastní a dlužno říci, že prakticky dokonalou. „Epidermální elektronický systém“, jak vědci svému zařízení přezdívají, však nalezne řadu jiných, nicméně také velmi důležitých aplikací.

Kromě monitoringu zdravotního stavu či vylepšení protetiky vidí vědci jeho budoucnost např. při ovládání počítačových her. Osud takové „druhé kůže“ však může být jistě ještě mnohem barvitější.

Inspirace od gekonů

„Naším cílem bylo pokud možno co nejvíce zastřít rozdíl mezi elektronikou a biologickou tkání,“ popisuje cíle práce 25 členného týmu profesor John Rogers. Zařízení, které by obsahovalo všechny potřebné senzory a zároveň nemělo tvar a hmotnost malé krabičky, musí v první řadě nějakým způsobem držet na těle.

Lepidlo, jež by polymer obsahující senzory k tělu připevnilo, by však mohlo způsobit alergickou reakci či funkci řady nanosenzorů nepříjemně ovlivňovat.

Při hledání ideálního metody propojení přirozené a umělé tkáně našli vědci svou inspiraci v přírodě, tentokrát u ještěrek gekonů. Skvělá přilnavost jejich chodidel, díky níž se mohou pohybovat po sebehladších površích i hlavou dolů, není dána žádným lepidlem, ale jednou ze sil, které se projevují mezi molekulami, tzv. van der Waalsovými interakcemi.

„Proto, aby síly působily s co největší efektivitou, bylo třeba zapracovat na přesném výzkumu geometrie molekul. Výsledkem je, že výrobek drží na ruce i ve sprše a nositel si jej prakticky nevšimne,“ pochvaluje si výsledek profesor Rogers.

Triumf nanoelektroniky

Mezi vrstvičkami polymeru, silnými asi 50 mikrometrů, je jako v sendviči umístěna asi 30 mikrometrů silná platforma, založená na modifikovaném polyesteru.

Do ní je integrováno to nejpodstatnější – řada nanosenzorů. Ty jsou vyrobeny z běžných materiálů, užívaných pro konstruování elektronických zařízení (např. křemík či arsenid galia). Aby zařízení skutečně vypadalo jako „druhá kůže“, musela být jejich mocnost stlačena pod 7 mikrometrů.

Kromě senzorů monitorujících změny v nejrůznějších parametrech činnosti organismu jsou součástí „druhé kůže“ ještě světelné mikrodiody (LED), nejrůznější prvky integrovaných obvodů (tranzistory, rezistory, diody) a také zařízení pro radiofrekvenční komunikaci.

Výsledkem je pak zařízení, které je nejen velmi tenké, a tak prakticky necítitelné, ale také velmi odolné vůči mechanickému namáhání.

Energie pro druhou kůži

Jako jakékoliv jiné zařízení využívající pro svou činnost elektrický proud, musí mít i „druhá kůže“ zjednaný nějaký přístup k jeho zdroji. Prototyp, který vědci zatím otestovali, využíval napájení externího. Nečekejte však žádný drát k nabíječce.

Napájení využívalo princip tzv. rozloženého transformátoru. Uvnitř přístroje byly umístěny droboulinké cívky, další „cívkou“ byla místnost, v níž se člověk se zařízením na ruce nacházel. Mezi oběma cívka se indukovalo napětí, které stačilo na výrobu takového množství proudu pro pohon zařízení potřebného.

„Takový způsob pohonu je však energeticky ztrátový. Člověk nesoucí zařízení se také musí neustále pohybovat uvnitř místnosti. Aby se nám v budoucnu podařil skutečný průlom, bude muset přejít na naprostou energetickou soběstačnost.

Zatím uvažujeme zejména o využití některé ze stávajících fotovoltaických technologií,“ odkrývá budoucí plány John Rogers.

Snímání řeči těla

Během prvních testů se zařízení ukázalo velmi efektivní při zcela neinvazivním snímání aktivity srdce, mozku i kosterních svalů. Svým způsobem aplikace je již dnes vhodný např. pro novorozence, kteří by mnohem hůře snášeli přítomnost objemnějších senzorů.

Tím však výčet možných budoucích úkolů zařízení zdaleka nekončí. V současné době již probíhají testy, zda je zařízení schopno přesně monitorovat i mechanické vibrace těla. Na krku mluvčího by mohlo registrovat vibrace, vznikající při vytváření hlasu.

Analyzovat a převádět tyto informace na další systém povelů pak může speciální software. „Otevírá se tak nová cesta nejen k novému hlasovému způsobu ovládání počítačových her, ale prakticky ke všem zařízení, které budou tento specializovaný interface vlastnit.

Nejvíce by z něj profitovali lidé, postižení ztrátou hlasu v důsledku úrazu,“ doplňuje profesor Rogers.

Druhá kůže je natolik flexibilním vynálezem, že se s ním v budoucnu možná budeme setkávat i v oblastech, kdy tělo není pouze snímáno, ale také stimulováno, např. při hojení ran.

Pan van der Waals a jeho síly

*Řada jevů, které v přírodě pozorujeme, má svůj původ ukrytý na úrovni, kam se nikdy žádný člověk nemůže podívat přímo, tedy na úrovni atomů a molekul.

*Chůze gekonů po hladkém skle na tom není jinak.

*Za přilnavostí noh těchto ještěrů stojí zvláštní typ sil působících mezi částicemi hmoty, které získaly své jméno  podle slavného holandského vědce, který výrazně přispěl k jejich popisu: nositele Nobelovy ceny za fyziku z roku 1910  Johannese Diderika van der Waalse (1837–1923).

*Van der Waalsovy síly jsou jedním z typů sil působících mezi atomy, molekulami či celými povrchy.

*Jsou odlišné od velmi pevných vazeb kovalentních, iontových vazeb či slabších vodíkových můstků.

*Tyto relativně slabé přitažlivé či odpudivé síly vznikají díky polarizaci molekul.

*Ve světě dnešní chemie a fyziky mají největší význam např. při konstrukci nejrůznějších polymerů či přímo nanozařízení.

Umělá kůže z pavoučích vláken

Tkáňoví inženýři, jejichž hlavním cílem je nutit nejrůznější typy buněk lidského těla, aby dělaly to, co lékaři zrovna potřebují, se již léta snaží stvořit umělou kůži. Taková kožní protéza by měla své hlavní upotřebení v plastické chirurgii.

Jednou z hlavních obtíží, s níž se tkáňoví inženýři musí utkat, je výroba ideálního „lešení“ pro růst jednotlivých typů kožních buněk. V živém organismu hraje tuto roli mezibuněčná hmota, tvořená z velké části proteinem kolagenem.

Pro účely kultivace in vitro, tedy v laboratoři, se však kolagen moc neosvědčil: jeho vlákna jsou příliš slabá.

Biologové z Lékařské fakulty v německém Hannoveru pod vedením Hannah Wendtové se rozhodli vyrobit takovou matrici z materiálu, do něhož je v posledních letech řada chemiků a biologů doslova zamilována:

z pavoučího vlákna. Podle profesorky Wendtové má vlákno pavouka nefily (r. Nephila) nejen vynikající mechanické vlastnosti (pevnost a zároveň pružnost), ale i vlastnosti chemické. Po nějaké době se rozloží na komponenty, které nejsou pro rostoucí kožní buňky jedovaté ani jinak škodlivé.